材料基因工程第一性原理计算方法及应用.docx

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1、材料基因工程第一性原理计算方法及应用目录1 .序言22 .模拟研究体系23 .第一性原理计算的基本原理34 .第一性原理计算在材料分析中的应用34. 1.材料的性质预测34.2. 材料的设计和发现34.3. 材料的模拟和优化35.未来发展方向45. 1.高通量计算41. 2.多尺度计算45. 3.机器学习4?软件编译安装、加速4?结构预测方法6?准确设置计算参数6?设置磁性、LDA+U、HSEo6、范德华力、偶极矫正等参数6?准确优化结构6?能量计算分析7?化学键分析7?电荷分析7?能带结构计算分析7?态密度计算分析8?电子结构计算分析8?光谱类计算8?分子动力学模拟9?声子谱模拟9?力学性能

2、计算9?载流子迁移率922.总结101 .序言第一性原理计算是一种理论计算方法，能够基于量子力学原理对物质的性 质进行高精度预测。它已经成为材料科学研究中不可或缺的工具，帮助我们了 解材料的基本特性，优化材料的性能，并发现新的材料。材料基因工程是近年来国际材料领域兴起的颠覆性前沿技术，随着国内计 算机技术的快速发展，多尺度材料模拟计算成为材料研究中不可或缺的一部分。 计算材料学主要致力于建立可预测或可描述的模型，以指导实验研究可以减少 实验试错次数和降低成本,预测实验条件无法实现的相关材料的结构和性质（超 高温、高压等）。随着密度泛函理论的发展，在物理、化学和生物等多门学科中, 密度泛函理论已

3、成为强有力的研究工具。密度泛函理论研究涉及的体系包括零 维（如小分子、团簇、量子点）、一维（如纳米管）、二维（如固体表面、二 维材料）、三维（如高温超导）。VASP是目前材料微观反应机理和计算材料电 子结构性质科学研究中最流行的一款软件，它可以处理金属及其氧化物、半导 体、晶体、掺杂体系、纳米材料、分子、团簇、表面体系和界面体系等。通过本专题的系统实践教学，帮助学员掌握软件安装及加速计算的策略、 提交计算任务、构建符合自己研究体系的计算模型、构建复杂材料模型、参数 设置、结构优化、输出能量分析、化学键分析、吸附和电荷计算分析、电子结 构计算、态密度计算分析、光谱类计算、分子动力学计算、声子谱模

4、拟、力学 性能计算、载流子迁移率计算等内容。适合各省市、自治区从事物理学、化学、材料科学、无机化工、金属学及 金属工艺、有机化工、燃料化工、冶金工业等事业单位技术骨干、科研院所、 高校相关专业的在校硕士、博士研究生以及广大爱好者。2 .模拟研究体系教学目标：了解计算模拟前沿，确立自己研究体系是否可行。确定计算模 拟难度1、二维气敏材料2、光催化材料3、单原子催化4、SERS基底材料5、二维异质结材料6、钙钛矿材料7、电池（电极）材料8、含能材料9、拓扑材料（自旋轨道耦合SOC）3 .第一性原理计算的基本原理第一性原理计算是基于量子力学原理的计算方法，通过求解薛定谬方程来 预测物质的性质。这种计

5、算方法不需要任何经验参数，可以通过解决物质中每 个原子的电子运动方程来计算材料的电子结构。它提供了对材料性质的高精度 预测，包括材料的能带结构、电荷密度、力学性质、磁性等。4 .第一性原理计算在材料分析中的应用第一性原理计算已经被广泛应用于材料分析领域，包括材料性质的预测、 材料设计和发现等方面。以下是第一性原理计算在材料分析中的主要应用。 4.1.材料的性质预测第一性原理计算可以预测材料的基本性质，例如能带结构、电荷密度、力 学性质、磁性等。这些预测可以帮助我们更好地理解材料的行为，并指导材料 的使用和开发。例如，通过计算材料的能带结构和电荷密度，我们可以了解材 料的电子结构和导电性质。通过

6、计算材料的力学性质，我们可以了解材料的强 度、刚度和韧性等。4. 2.材料的设计和发现第一性原理计算可以帮助我们设计和发现新的材料。通过计算不同材料的 性质，我们可以比较它们的性能，并选择最佳的材料。例如，通过计算不同材 料的能带结构和磁性，我们可以发现新的磁性材料。通过计算不同材料的光学 性质，我们可以发现新的光电材料。这些新的材料可以应用于各种领域，例如 电子、能源和医学等。5. 3.材料的模拟和优化第一性原理计算可以帮助我们模拟和优化材料的性质。例如，通过计算材 料的力学性质和热学性质，我们可以模拟材料的变形和热膨胀行为。通过计算 材料的光学性质，我们可以模拟材料的吸收和发射光谱。这些模

7、拟可以帮助我 们理解材料的行为，并优化材料的性能。5.未来发展方向随着计算机技术的不断发展，第一性原理计算在材料科学中的应用将会更 加广泛和深入。以下是第一性原理计算在材料科学中的未来发展方向。5.1. 高通量计算高通量计算是一种能够快速计算大量样品的计算方法。通过高通量计算， 可以快速筛选出具有特定性质的材料，并发现新的材料。例如，通过高通量计 算可以预测成千上万个不同材料的电子结构和力学性质，并筛选出最有前途的 材料进行实验验证。高通量计算将大大缩短材料发现的时间，并提高新材料的 发现率。5. 2.多尺度计算多尺度计算是一种能够同时计算不同尺度的方法。例如，多尺度计算可以 同时计算材料的原

8、子结构、微观结构和宏观性质。通过多尺度计算，可以更好 地理解材料的行为，并优化材料的性能。例如，通过多尺度计算可以预测材料 的热膨胀系数和热导率等宏观性质，从而指导材料的设计和应用。6. 3.机器学习机器学习是一种能够从大量数据中学习并预测的方法。通过机器学习，可 以快速预测材料的性质，并发现新的材料。例如，通过机器学习可以预测材料 的能带结构、磁性和光学性质等重要性质。机器学习将大大提高材料分析的效 率和准确性。?.软件编译安装、加速教学目标：掌握VASP软件安装及VASP加速策略1、硬件选择及编译安装2、提交作业脚本编写3、前处理和后处理辅助程序安装4、熟悉VASP加速方案，节约计算时间3

9、密度泛函理论教学目标：熟悉理论背景及软件，工作更高效1、从薛定谬方程到密度泛函理论2、平面波震势方法3、量化软件及辅助软件4、能带结构理论4 Linux操作系统基础教学目标：熟悉LinUX常用命令及批处理脚本，工作更高效1、XShell远程登陆服务器的操作技术2、LinUX常用命令（包含bash编程基础）3、LinUX下常用编译器安装方法4、LinUX常用命令（文本查找，批量提交任务，grep/sed/awk等）5输入、输出文件教学目标：能够独立提交VASP计算任务1、软件输入文件介绍（INCAR, KPOINTS, POSCAR, POTCAR,计算脚本等）2、软件输出文件介绍（OUTCAR

10、等）3、前处理和后处理辅助软件介绍4、提交一个计算任务6构建材料结构模型教学目标：构建符合自己研究体系的计算模型1、利用数据库构建三维结构、二维结构2、材料的掺杂、空位、缺陷3、官能团修饰调控方法4、应力应变调控方法7构建纳米管、异质结等复杂模型教学目标：进一步掌握复杂材料模型构建1、纳米管搭建技巧2、异质结模型搭建技巧：晶格匹配3、二维材料万能构建方法4、TOC图的绘制?.结构预测方法教学目标：了解通过结构搜索或化学知识，构建新材料结构1、知识驱动型新材料结构构建2、结构搜索软件（数据驱动）新材料构建新结构?.准确设置计算参数教学目标：熟悉科学设置各项参数1、收敛性测试的目的和意义2、ENC

11、UT收敛性测试3、K点收敛性测试4、其他收敛性测试（Sigma等）?.设置磁性、LDA+U、HSE06x范德华力 偶极矫正等参数教学目标：熟悉设置各项参数1、INCAR 参数的设置（ENCUTSIEEDlFF,EDIFFG 等）2、LDA+U设置方法3、两种范德华力设置方法4、HSEO6设置方法5、K点的设置方案（MeSh,Line-Mode以及Rec直接标注权重）6、MAGMoM磁性参数设置7、偶极矫正参数设置8、鹰势的选择及快速生成方法准确优化结构教学目标：掌握结构优化策略1、结构优化的核心与要义2、晶体结构的优化设置：通过实例金刚石来了解参数设置3、二维材料g-C 3 N 4晶体结构优化

12、4、异质结材料模型结构优化5、一维材料优化能量计算分析教学目标：掌握VASP输出能量的本质1、鹰势方法2、形成能3、内聚能4、剥离能5、位错能6、吸附能化学键分析教学目标：理解吸附本质，掌握电荷计算相关方法1、键长、键角的启示2、ELF计算与结果处理3、COHP计算与结果处理4、共价键、离子键的分析电荷分析教学目标：掌握电荷分析方法1、电荷差分：电荷转移分析2、Bader电荷：探讨元素化合价3、自旋电荷密度能带结构计算分析教学目标：熟悉电子结构计算1、能带结构有什么用？2、倒格矢与倒空间3、能带计算与分析4、前线轨道计算与分析5、投影能带计算与分析6、电子有效质量计算与分析7、实例1：钙钛矿能

13、带结构8、实例2：黑磷稀能带结构态密度计算分析教学目标：掌握态密度计算和分析方法1、为什么要计算态密度？态密度与能带的关系2、态密度计算与分析3、投影态密度PDoS计算与分析4、深能级与能级对齐5、实例L钙钛矿的态密度6、实例2：黑磷稀的态密度电子结构计算分析教学目标：更深入了解电子结构计算及分析1、HSEO6矫正电子结构2、功函数计算3、带边能级：异质结能带对齐4、局域态密度LDOS5、实例3：二维材料之三维能带一绘制石墨烯狄拉克锥光谱类计算教学目标：熟悉吸收光谱、反射光谱计算，了解拉曼、红外光谱等计算方 法与数据处理1、分子动力学参数设置2、吸收光谱3、反射光谱4、拉曼光谱5、红外光谱分子

14、动力学模拟教学目标：掌握分子动力学与声子谱模拟方法1、认识系综2、基于能量波动的结构稳定性评估3、径向分布函数4、扩散系数声子谱模拟教学目标：掌握声子谱模拟及分析方法1、声子谱计算参数设置2、声学支与光学支3、虚频产生机制及消除方法力学性能计算教学目标：掌握材料拉伸应变强度，杨氏模量、硬度等计算方法1、计算参数设置2、拉伸强度3、弹性模量、杨氏模量计算4、泊松比5、三维和二维材料的实例演练载流子迁移率教学目标：掌握材料的电子和空穴的载流子迁移率1、形变势理论2、形变势常数计算3、载流子迁移率计算4、实例1：黑磷烯载流子迁移率的计算详情见公众号：科研硕博-雄 gC)NlI J 手(priCT (FJI22 .总结第一性原理计算是一种基于量子力学原理的计算方法，可以预测材料的基 本性质和行为。在材料分析领域，第一性原理计算已经被广泛应用于材料的性 质预测、材料的设计和发现、材料的模拟和优化等方面。未来，随着计算机技 术的不断发展，高通量计算、多尺度计算和机器学习等方法将会更加广泛应用 于材料分析中，从而大大提高材料分析的效率和准确性，促进新材料的发现和 应用。